Atomi di cesio ultrafreddi mantengono un ordine nascosto in uno stato quantistico inedito

All'Università di Innsbruck un gruppo di fisici ha descritto uno stato della materia quantistica che non somiglia a nulla di catalogato: il mare di Fermi frazionario. Il punto che ha attirato l'attenzione è semplice da enunciare. Atomi ultrafreddi spinti in condizioni estreme, in uno stato altamente eccitato, non perdono la propria organizzazione.

Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters. Lo firma il gruppo guidato da Hanns Christoph Nägerl, insieme al fisico teorico Alvise Bastianello, del CNRS e dell'Université Paris Dauphine. Primo autore è Yi Zeng. Il metodo consiste nel portare atomi di cesio ultrafreddi ben oltre le condizioni abituali, modificando ripetutamente l'intensità con cui si attraggono o si respingono. Ci si aspetterebbe un caos disordinato; gli atomi, invece, si riorganizzano in una configurazione insolita. Queste basi teoriche sostengono anche le ricerche sperimentali recenti del team di Nägerl al Dipartimento di Fisica Sperimentale.

Per capire la sorpresa occorre partire dalla regola. I fermioni, la famiglia di particelle a cui appartengono gli elettroni, non possono occupare lo stesso stato quantistico, e così riempiono i livelli energetici disponibili uno dopo l'altro. A temperature molto basse ne nasce il mare di Fermi. Bastianello ha formulato la domanda di partenza: che cosa accade se si costringono atomi interagenti ad attraversare di continuo condizioni estreme, passando gradualmente da una forte repulsione reciproca a una forte attrazione?

Per rispondere, i ricercatori hanno studiato atomi di cesio confinati in un sistema unidimensionale, dove il moto avviene lungo una sola direzione e le interazioni si controllano con grande precisione. I calcoli hanno mostrato che, partendo dallo stato fondamentale, cioè quello a energia più bassa, gli atomi potevano essere portati in uno stato molto eccitato senza perdere l'organizzazione di fondo. Il nome «frazionario» deriva dal fatto che le particelle sembrano seguire una regola modificata nell'occupazione degli stati quantistici. Secondo Zeng, il ciclo di interazioni non si limita a riscaldare il sistema: lo riorganizza in un nuovo stato a molti corpi, offrendo un modo controllato di esplorare la materia quantistica oltre i consueti paradigmi di equilibrio.

La particolarità è che l'ordine sopravvive lontano dall'equilibrio, la condizione in cui le proprietà complessive di un sistema si stabilizzano. Di solito i sistemi fuori equilibrio sono complicati e difficili da interpretare. Qui, invece, emergono schemi matematici riconoscibili, tra cui marcate increspature note come oscillazioni di Friedel. I ricercatori hanno inoltre osservato andamenti insoliti nel modo in cui le correlazioni tra particelle si indeboliscono con la distanza, anche quando le interazioni repulsive sono relativamente deboli.

Queste firme contano perché si discostano dalle previsioni della teoria dei liquidi di Tomonaga-Luttinger, il quadro storico per descrivere le particelle interagenti in una dimensione. «Questo stato è altamente eccitato ma non è casuale», sottolinea Nägerl, spiegando che possiede un ordine nascosto visibile nelle correlazioni. Resta aperta anche la questione delle quasiparticelle, eccitazioni collettive che si comportano come singole particelle pur nascendo dal moto coordinato di molte. «Non sappiamo ancora come chiamare queste nuove quasiparticelle. Forse super Fermioni?», ha aggiunto.

Per gli autori i mari di Fermi frazionari sono una fase critica esotica della materia, con correlazioni che vanno oltre le descrizioni esistenti dei sistemi unidimensionali. Nägerl vi legge anche un segnale sulla simulazione quantistica: non solo riprodurre modelli noti, ma creare e studiare stati oltre i paradigmi consolidati. La pubblicazione attuale definisce il quadro teorico. Uno studio gemello, che descrive la realizzazione sperimentale tramite simulazione quantistica, è ora in revisione paritaria: sarà quello a dover confermare il quadro.